اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی در بسیاری از کاربردها (همچون ذخیره داده‌ها٬ پردازش اطلاعات و تشدید مغناطیسی) امری مهم به حساب می‌آید. یکی از دقیق‌ترین ابزارها برای سنجش شدت میدان مغناطیسی٬ آشکارسازی جابجایی‌های انرژی در آن سیستم‌های اتمی است که از اسپین برخوردارند. بویژه این اندازه‌گیری‌های می‌تواند زمانی حساس باشد که پاسخ مغناطیسیِ اسپین‌های سیستم موردنظر به شکل اپتیکی اندازه‌گیری شود[1]. پژوهش‌گرانی به رهبری دیمیتری بودکر (Dmitry Budker) از دانشگاه کالیفرنیا در بریکلی و همکارانش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لیترز مغناطیس‌سنجی را گزارش داده‌اند که بر اساس حالت اسپینی یک نقص در بلور الماس کار می‌کند؛ این نقص به مرکز جای‌خالی-نیتروژن (NV) موسوم است. این مغناطیس‌سنج حساسیتی را به نمایش می‌گذارد که در دمای اتاق بی‌سابقه است[2]. این پژوهش امکان این را فراهم کرده تا کاربردهایی همچون اندازه‌گیری‌های با دقت‌بالای میدان‌ها٬ حسگرهای تشدید مغناطیسیِ هسته‌ای نادر (NMR)٬ اندازه‌گیری ثابت‌های اساسی فیزیک و آشکارسازی میدان‌های مربوط به فرآیندهای زیست‌شناختی همانند انتشار سیگنال‌ها در مغز فراهم گردد.

ایده‌ای که پشت آشکارسازی اپتیکی (که چندین دهه پیش توسط کاستلر [3] پیشنهاد شده) قرار دارد بهره‌گیری از گذارهای مابین ترازهای انرژی است که در اتم‌های پارامغناطیس از حالت پایه قابل دسترسی است و به گذارهای اپتیکی جفت‌شده‌اند. در این مورد می‌توان از میدان‌های اپتیکی برای قطبیده ساختن اتم‌های حسگری (با پمپاژ اپتیکی) و برای آشکارسازی (با تغییر سیگنال‌های جذبی و فلورسنس القاء شده توسط تشدید اسپینی) استفاده برد. چون آشکارسازهای فوتونی با حساسیت بالا وجود دارند این رهیافت آشکارسازی اپتیکی٬ اگر با آشکارسازی مستقیم حالات اسپینی با استفاده از پیچه‌های القایی (مثلاً شبیه NMR یا تشدید پارامغنتطیسی الکترونی (EPR)) مقایسه شود٬ می‌تواند تا ۹ برابر باعث افزایش حساسیت (رسیدن به حد نهایی آشکارسازی تک‌اسپین) گردد.

بازخوانیِ گذارهای اسپینی مرتبط با مراکز NV در الماس اخیراً به منظور کاربردهای مغناطیس‌سنجی پشنهاد شده است [3,4]. مراکز NV شامل اتم نیتروژنی است که در شبکه‌ی کربنی با جای‌خالی شبکه ترکیب شده است. مغنطیس‌سنج‌های حالت جامد (شبیه قطعاتی که بر پایه‌ی الماس ساخته شده‌اند) برای فشرده‌سازی حسگرهای میدان امری حیاتی محسوب می‌شوند. اگرچه مواد مختلف بازخوانی اسپین اپتیکی را ممکن می‌سازند٬ الماس مزایای ویژه‌ای دارد. در الماس اسپین‌ها به خوبی از فونون‌های شبکه ایزوله‌اند و زمان همدوسیِ مراکز رنگی الماس حتی تحت شرایط محیطی (که مستقیماً به حساسیت مغنطیس‌سنج‌ها مربوط است) طولانی است. اخیراً بازخوانی اسپینی اپتیکی توسعه‌یافته است و ابزارهای کنترل همدوس موجب شده تا اصول آزمایش‌های مغناطیس‌سنجی به خوبی به اثبات برسد. این اثبات‌ها شامل ثبت وضوح فضایی در مغناطیس‌سنجی روبشی [5]٬ آشکارسازی سیگنال‌های NMR و EPR در مقیاس نانو [6,7]٬ حسگری مولکول‌های زیستی [8] و تصویربرداری از باکتری مغناطیسی [9] است.

اگرچه تک‌مراکز NV برای کاربردهای در مقیاس نانو که نیازمند وضوح فضایی بالا هستند ترجیح داده می شوند٬ بالاترین حساسیت می‌تواند برای الماس‌هایی که متشکل از تعداد بسیار زیادی مراکز اتمی NV هستند قابل دسترسی باشد. اما تا به امروز دقت قطعاتی که از چند NV تشکیل شده‌اند هنوز تابع پیشرفت‌های قابل ملاحظه است: دقت اندازه‌گیری‌های گزارش شده به محدوده‌ای بنیادی که توسط مکانیک کوانتوم تحمیل می‌شود (معروف به نوفه‌ی تصویر کوانتومی) نرسیده است. چنان انحرافی با این حقیقت مرتبط است که فوتون‌های گسیل شده توسط مراکز رنگی الماس اغلب از دست رفته و آشکارسازی نمی‌شوند (شکل ۱ را ببینید). کاری که بودکر و همکارانش به انجام رسانده‌اند نشان از پیشرفت‌های قابل توجهی بر روی تکنیک‌های موجود دارد؛ تکنیک‌هایی که بر استفاده از اندازه‌گیری‌های جذب به منظور افزایش حساسیت مغناطیس‌سنج‌های از جنس الماس تکیه دارد. با این حال٬ گذار فروسرخی که برای آشکارسازی سیگنال‌های مغناطیسی استفاده می‌شود ضعیف بوده و دست‌یابی به چگالی اپتیکیِ بالای حسگرهای NV جاذب نور در بلور الماس چالشی است که پیش روی این محققان قرار دارد.

شکل ۱) مغناطیس سنج‌های اپتیکی از جنس الماس. شکل بالا: با اندازه‌گیری فلورسانس یک نمونه الماس یا اندازه‌گیری گذار یک پرتوی اپتیکی٬ سیگنال تشدید مغناطیسی از مراکز NV آشکارسازی می‌شود. شکل پائین: سیگنال جذبی با داخل بردن نمونه‌ی الماس به درون کاواک اپتیکی افزایش می‌یابد.

بودکر و همکارانش نشان می‌دهند که با جاگذاری مراکز NV در یک تشدید‌گر اپتیکی می‌توان به افزایش جذب اپتیکی فروسرخ دست یافته و سطح نویز 2nT/Hz^1/2 و حساسیت 70pT/Hz^1/2  قابل دسترسی باشد. این حساسیت با بهترین حسگرهای SQUID قابل مقایسه است اما قطعه‌ی الماسی که آنان پیشنهاد کرده‌اند قابلیت کار در دمای اتاق را دارد. ایده‌ای که پشت این آزمایش عجیب وجود دارد اجازه دادن به پرتوی لیزر فروسرخ است تا چندین مرتبه با بلور الماس اندرکنش داشته باشد (شکل ۱). به منظور ایجاد مراکز NV در الماس یک بلور حاوی نیتروژن با الکترون‌های انرژی بالا پرتودهی می‌شود. پس از پرتودهی این بلور شامل جای‌خالی‌هایی است که به سمت اتم‌های نیتروژن تشکیل دهنده‌ی نقص‌های NV مهاجرت می‌کنند. برای پرهیز از بازتاب پارازیتی نور بر روی سطح الماس٬ بلور با لایه‌ای ضدبازتاب پوشش داده می‌شود. بلور الماسی که با مراکز NV آلاییده شده مابین دو آینه‌ی کروی (با بازتاب ۹۸ درصد) در فرکانس گذار فروسرخ مراکز NV قرار داده می‌شود. با توجه به این تکنیک چندمسیری٬ «طول موثر» نمونه‌ی الماس می‌تواند افزایش یابد که منجر به ارتقاء حساسیت با مرتبه‌ی ۲ می‌شود. آشکارسازیِ چندمسیری همچنین اجازه می‌دهد تا حجمی که تحت حسگری قرار دارد کوچک باقی بماند (کاری که در مورد بلور الماس طولانی امکان‌پذیر نیست). این کار به طراحی قطعات فشرده برای رسیدن به وضوح فضایی بالا کمک می‌کند. نهایتاً جدای از رسیدن به سیگنال اپتیکیِ با کنتراست بالا٬ کاواک اپتیکی این امکان را فراهم می‌کند تا توان اپتیکی لیزر نیز کاهش یابد؛ چیزی که در یکپارچه‌سازی مغناطیس‌سنج‌های آینده در داخل سیستم‌های حسگری میدان مغناطیسیِ فشرده اهمیت دارد.

کار اجرایی اخیر که توسط بودکر و همکارانش گزارش شده قابل توجه است: این کار اندازه‌گیری‌های میدانی را فراهم می‌کند که به کوچکیِ یک میلیونم میدان زمین است. اما می‌تواند با تنظیم خواص نمونه‌ی الماس و تشدیدگرهای اپتیکی بهبود داده شود. Q فاکتورهای بسیار بالا برای کاواک‌های الماسِ مجتمع اخیراً گزارش شده‌اند [10,11]. چنان تشدیدگرهای با ظرافت بالا می‌توانند به افزایش اندرکنش بین مراکز NV و میدان‌های اپتیکی منجر شود (بخصوص در دماهای پائین که گذارهای اپتیکیِ مراکز NV باریک می‌شوند). با افزایش زمان‌های همدوسی مراکز NV که در آزمایش مغناطیس‌سنجی استفاده شده نیز می‌توان به بهسازی دست یافت: اگر زمان همدوسی زیاد باشد٬ گذار اسپینی٬ پهنای خط باریکی خواهد داشت. خط طیفی باریک را می‌توان با دقت بالا اندازه گرفت٬ و این با دقت میدان اندازه‌گیری شده به شکل متناسب افزایش می‌یابد. زمان‌های همدوسی بسیار بالا (در حدود میلی‌ثانیه که متناظر با پهنای خطوط کیلوهرتز است) در مورد نمونه‌های الماسِ بدون اسپین هسته‌ای با غلظت کاهش یافته‌ی ایزوتروپ کربن ۱۳ نشان داده شده است [12]. این کار حتی به حساسیت و دقت بالاتر نیز می‌انجامد.

درباره‌ی نویسنده:

فدور جلزکو (Fedor Jelezko) مدیر موسسه‌ی اپتیک کوانتومی و همکار مرکز یکپارچه‌ی فناوری و علوم کوانتومی (IQST) در دانشگاه اولم است. وی در مینسک بلاروس تحصیل کرده و مدرک پی‌اچ‌دی خود را در سال ۱۹۹۸ اخذ کرده است. در سال ۲۰۱۰ در دانشگاه اشتوتگارت به عنوان استاد فیزیک تجربی در اولم در سال ۲۰۱۱ منصوب شده است. وی چندین افتخار (به ویژه جایزه‌ی والتر شاتکیِ جامعه‌ی فیزیک آلمان) به سبب دستاوردهای علمی خود در زمینه‌ی فیزیک حالت‌جامد کوانتومی را کسب نموده است. علایق پژوهشی وی در فصل مشترک فیزیک کوانتوم بنیادی و کاربرد فناوری‌های کوانتوم در پردازش اطلاعات٬ ارتباطات٬ حسگری و تصویریرداری است.

مراجع:

1.        D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis, “Resonant Nonlinear Magneto-Optical Effects In Atoms,” Rev. Mod. Phys. 74, 1153 (2002).

2.        K. Jensen, N. Leefer, A. Jarmola, Y. Dumeige, V. M. Acosta, P. Kehayias, B. Patton, and D. Budker, “Cavity-Enhanced Room-Temperature Magnetometry Using Absorption by Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond,” Phys. Rev. Lett. 112, 160802 (2014).

3.        A. Kastler, “Quelques Suggestions Concernant la Production Optique et la Détection Optique d’une Inégalité de Population des Niveaux de Quantifigation Spatiale des Atomes. Application à l’Expérience de Stern et Gerlach et à la Résonance Magnétique,” J. Phys. Radium 11, 255 (1950).

4.        J. M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P. R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and M. D. Lukin, “High-Sensitivity Diamond Magnetometer With Nanoscale Resolution,” Nature Phys. 4, 810 (2008).

5.        C. L. Degen, “Scanning Magnetic Field Microscope with a Diamond Single-Spin Sensor,” Appl. Phys. Lett. 92, 243111 (2008).

6.        T. Staudacher, F. Shi, S. Pezzagna, J. Meijer, J. Du, C. A. Meriles, F. Reinhard, and J. Wrachtrup, “Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy on a (5-Nanometer)(3) Sample Volume,” Science 339, 561 (2013).

7.        M. S. Grinolds, S. Hong, P. Maletinsky, L. Luan, M. D. Lukin, R. L. Walsworth, and A. Yacoby, “Nanoscale Magnetic Imaging of a Single Electron Spin Under Ambient Conditions,” Nature Phys. 9, 215 (2013).

8.        A. Ermakova et al., “Detection of a Few Metallo-Protein Molecules Using Color Centers in Nanodiamonds,” Nano Lett.13, 3305 (2013).

9.        D. Le Sage, K. Arai, D. R. Glenn, S. J. DeVience, L. M. Pham, L Rahn-Lee, M. D. Lukin, A. Yacoby, A. Komeili, and R. L. Walsworth, “Optical magnetic imaging of living cells,” Nature 496, 486 (2013).

10.     J. Riedrich-Moller et al., “One- and Two-Dimensional Photonic Crystal Microcavities in Single Crystal Diamond,” Nature Nanotech. 7, 69 (2012).

11.     V. S. Ilchenko, A. M. Bennett, P. Santini, A. A. Savchenkov, A. B. Matsko, and L. Maleki, “Whispering Gallery Mode Diamond Resonator,” Opt. Lett. 38, 4320 (2013).

12.     G. Balasubramanian et al., “Ultralong Spin Coherence Time in Isotopically Engineered Diamond,” Nature Mater. 8, 383 (2009).

منبع: